РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2007 года по МПК C22C38/46 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов.

Известна рельсовая сталь марки Э76Ф [1], содержащая (в мас.%):

углерод0,71-0,82марганец0,75-1,05кремний0,25-0,45ванадий0,03-0,15хромне более 0,15никельне более 0,15медьне более 0,15железо- остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая стойкость железнодорожных рельсов без термической обработки и необходимость термообработки стали для повышения эксплуатационных свойств.

Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):

углерод0,71-0,82марганец0,75-1,05кремний0,45-0,80алюминий0,005-0,015азот0,0005-0,015ванадий0,03-0,09хром0,35-0,70никель0,03-0,20железо- остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод0,71-0,82марганец0,75-1,05кремний0,30-0,60алюминийне более 0,005азот0,005-0,015ванадий0,05-0,15хром0,40-0,80никель0,03-0,30кальций0,0001-0,005барий0,0001-0,005железо- остальное

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:

Увеличение кремния до 0,60% повышает пределы текучести и прочности, при снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров.

Концентрация хрома выбрана исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,40% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 0,80% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.

Содержание алюминия выбрано исходя, с одной стороны, из получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.

Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и обеспечивает образование дисперсного тонкопластинчатого перлита, имеющего хорошее сочетание прочности, пластичности и вязкости. Поскольку марганец смещает точку фазовых превращений к более низким температурам, с дальнейшим увеличением его концентрации более 1,05% в стали с высоким содержанием углерода возрастает вероятность образования недопустимой структуры верхнего бейнита.

Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,005% невозможно измельчение зерна и соответственно не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,015% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.

Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, при дальнейшем повышении концентрации никеля возможно получение недопустимых бейнитных структур.

Введение кальция и бария позволяет модифицировать источники концентраторов напряжений - неметаллические включения, исключить образование «опасных» включений глинозема, повысить чистоту стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечить образование глобулярных включений и исключить образование строчечных включений алюминатов. При введении более 0,005% кальция (или бария) в сталь возможно получение грубых барий- кальцийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижаются физико-механические свойства стали.

Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.

Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа Р65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты испытаний механических свойств в горячекатанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали по всему спектру контролируемых физико-механических параметров.

Источники информации

1. А.С.Зубченко. Марочник сталей и сплавов - М.: Машиностроение, 2003. - 713 с.

2. Патент РФ №2131946, С 22 С 38/46.

Таблица 1.
Химический состав сталиСоставСSiMnCrVAlNСаВаNiSPCuFe10,710,300,750,400,050,0020,0050,00010,0030,030,0050,0150,05ост20,760,480,820,400,090,0050,0120,0030,00010,140,0080,0090,06ост30,710,400,760,420,130,0050,0100,0040,0030,300,0060,0190,07ост40,880,530,890,750,100,0010,0120,0020,0040,280,0050,0250,12ост50,750,341,030,790,110,0030,0150,0050,0030,150,0140,0180,15ост60,820,601,050,800,150,0040,0160,0050,0050,200,0200,0230,20остпрототип              Э76Ф по ГОСТ Р 5168520000,71-0,820,25-0,450,75-1,05≤0,150,03-0,15≤0,020-- ≤0,15≤0,030≤0,025≤0,15ост

Таблица 2
Механические свойства сталиСоставПредел текучести, Н/мм²Предел прочности, Н/мм²Относительное удлинение, %Относительное сужение, %KCU ударная вязкость, Дж/см²+2°С-60°С11200133010320,380,2821110148011310,450,3431100139015380,480,4541210155012370,380,3851220145017320,460,406900135019310,470,36прототип Э76Ф880-12001350-155010-1730-340,33-0,440,18-0,35

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Предложена рельсовая сталь, содержащая в мас.%: углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,05 кремний 0,30-0,60, алюминий не более 0,005, азот 0,005-0,015, ванадий 0,05-0,15, хром 0,40-0,80, никель 0,03-0,30, кальций 0,0001-0,005, барий 0,0001-0,005, железо - остальное, при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости. 2 табл.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,71-0,82Марганец0,75-1,05Кремний0,30-0,60АлюминийНе более 0,005Азот0,005-0,015Ванадий0,05-0,15Хром0,40-0,80Никель0,03-0,30Кальций0,0001-0,005Барий0,0001-0,005ЖелезоОстальное

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20.